Nghiên cứu vi cấu trúc và đặc trưng động học của hệ natri silicát

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Hoàng Mạnh Vƣợng

NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƢNG ĐỘNG HỌC
CỦA HỆ NATRI SILICAT

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Hoàng Mạnh Vƣợng

NGHIÊN CỨU VI CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƢNG ĐỘNG HỌC
CỦA HỆ NATRI SILICAT
Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết và vật lí toán
Mã số: 8440130.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Thị Thanh Hà
GS.TS. Nguyễn Quang Báu

Hà Nội - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số
liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào khác.
TM tập thể hƣớng dẫn

Học viên

TS. Nguyễn Thị Thanh Hà

Nguyễn Hoàng Mạnh Vƣợng

GS.TS. Nguyễn Quang Báu

1


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Thanh Hà và
PGS.TS Nguyễn Quang Báu, những ngƣời thầy, ngƣời cô đã tận tình hƣớng
dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc tại
Viện Vật lí kĩ thuật trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ môn Vật lí lí
thuyết và vật lí toán, và Phòng đào tạo Sau đại học Trƣờng Đại học Khoa học
tự nhiên Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận
văn.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, ngƣời thân, đồng
nghiệp đã dành nhiều tình cảm, động viên, giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó

khăn để hoàn thành luận văn.
Hà Nội, ngày 11 tháng 6 năm 2019

Nguyễn Hoàng Mạnh Vƣợng

2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ............................................ 4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU SILICA VÀ SILICAT ..... 11
1.1 Tổng quan vật liệu silica SiO2............................................................... 12
1.1.1 Cấu trúc .......................................................................................... 12
1.1.2 Động học ........................................................................................ 14
1.2 Tổng quan vật liệu silicat ...................................................................... 16
1.2.1 Hệ silicat ba nguyên ....................................................................... 16
1.2.2 Hệ natri silicat ................................................................................ 22
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ............................................... 25
2.1 Phƣơng pháp động lực học phân tử ...................................................... 25
2.2 Dựng mẫu .............................................................................................. 27
2.2.1 Mô hình natri silicat 3000 nguyên tử ............................................. 27
2.2.2 Mô hình natri silicat 7995 nguyên tử ............................................. 28
2.3 Các phƣơng pháp tính cấu trúc ............................................................. 29
2.3.1 Simplex........................................................................................... 29
2.3.2 Hàm tính phân bố đám Flk(r,t) ........................................................ 30
2.3.3 Hàm phân bố xuyên tâm ................................................................ 31
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ ................................................................................. 33

3.1 Ảnh hƣởng của áp suất đến cấu trúc của hệ Na2O.SiO2 ....................... 33
3.1.1 Hàm phân bố xuyên tâm ................................................................ 33
3.1.2 Số phối trí ....................................................................................... 36
3.1.3 Phân bố góc .................................................................................... 39
3.2. Động học trong natri silicat lỏng.......................................................... 41
3.2.1 Phân bố không đông nhất của natri trong hệ Na2O.SiO2 ............... 41
3.2.2 Không đồng nhất động học ............................................................ 46
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 51

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
BKS

Beest Kramer van Santen

BMH

Born-Meyer-Huggins

BO

Nguyên tử ôxy cầu

CS

Cation simplex

CSC

Cluster cation simplex

DOP

Mức độ polyme hóa

ĐVPT

Đơn vị phối trí

FG

Feuston-Garofalini

MAS

Quay mẫu theo góc kì diệu

MD

Động học phân tử

NBO

Nguyên tử ôxy không cầu

NMR

Cộng hƣởng từ hạt nhân

NPH

Số hạt, áp suất, entanpy

NVE

Số hạt, thể tích, năng lƣợng

NVT

Số hạt, thể tích, nhiệt độ

OS

Ôxy-simplex

VS

Void-simplex

XRD

Nhiễu xạ tia X

μTP

Thế hóa học, nhiệt độ, áp suất

μTV

Thế hóa học, nhiệt độ, thể tích

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Tỉ phần của các loại ôxy trong hệ PbO.SiO2 khi áp suất

21

thay đổi.
Bảng 2.1 Các tham số của hàm thế đƣợc sử dụng trong mô phỏng

28

natiri silicat.
Bảng 3.1 Đặc trƣng cấu trúc của chất lỏng Na2O.SiO2 ở các áp suất

35

khác nhau: rlk là vị trí của đỉnh đầu tiên của HPBXT, glk
là đỉnh đầu tiên của HPBXT.
Bảng 3.2 Đặc trƣng của simplex. O, S, B và N là ôxy, silic, ôxy

42

cầu (BO), ôxy không cầu (NBO), tƣơng ứng.

Bảng 3.3 Tỉ lệ của kNa-simplex, k là số nguyên tử Na bên trong

43

simplex.
Bảng 3.4 Phân bố số natri trong CLSi, CLBO và CLNBO, k là số
lƣợng natri.

5

45


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 2.1

Mô tả các loại simplex. Trong đó: void-simplex (a);

30

NBOxBOy-simplex (b); SixOy-simplex (c); Na-simplex
(d). Quả cầu màu đỏ, xám, xanh tƣơng ứng là nguyên tử
O, Si và Na. Đƣờng tròn đứt là quả cầu simplex.
Hình 3.1

Hàm PBXT của các cặp Si-Si, Si-O, O-O của

33

Na2O.SiO2 ở nhiệt độ 3500 K và áp suất 0 GPa.
Hình 3.2

Hàm PBXT của các cặp Si-Na, O-Na, Na-Na của

34

Na2O.SiO2 ở nhiệt độ 3500 K và áp suất 0 GPa.
Hình 3.3

Sự phân bố của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6) trong

36

Na2O.SiO2 lỏng khi áp suất thay đổi
Hình 3.4

Ảnh hƣởng của áp suất đến số phối trí trung bình z NaO

37

và z ONa .
Hình 3.5

Sự phân bố của các ĐVPT OSi2 và OSi3 trong

38

Na2O.SiO3 lỏng khi áp suất thay đổi.
Hình 3.6

Phân bố góc O-Si-O của các ĐVPT SiOx (x = 4, 5, 6)

39

trong Na2O.SiO2 lỏng ở áp suất khác nhau.
Hình 3.7

Phân bố góc Si-O-Si của các ĐVPT OSiy (y = 2, 3)

41

trong Na2O.SiO2 lỏng ở áp suất khác nhau.
Hình 3.8

Phân bố bán kính void-simplex, 1Na-simplex, 2Na-

43

simplex.
Hình 3.9

Sơ đồ minh họa của cụm CLSi (a), CLBO (b) và

44

CLNBO (c). Ở đây, quả cầu màu đỏ, màu xám và màu
xanh đại diện cho O, Si và nguyên tử Na tƣơng ứng.
Hình 3.10

Phân bố số natri trong CLSi, CLBO và CLNBO.

6

45


Hình 3.11

Độ dịch chuyển bình phƣơng trung bình <r(t)2> theo

46

thời gian.
Hình 3.12

Hàm tính phân bố đám cho các tập hợp nguyên tử ngẫu

48

nhiên, các nguyên tử bất động và di động (Si, O).
Hình 3.13

Sự phụ thuộc thời gian của số lƣợng nguyên tử natri
cho SMA, SIMA và SRA.

7

49

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Silicat là thành phần phổ biến của lớp vỏ Trái Đất, tồn tại nhiều trong
tự nhiên và đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ: vi điện tử, y học,
gốm và thuỷ tinh công nghệ cao. Do đó hiểu biết về cấu trúc và các tính chất
động học của vật liệu này dƣới các điều kiện nhiệt độ và áp suất là rất cần
thiết, đóng góp đáng kể trong khoa học công nghiệp chế tạo vật liệu cũng nhƣ
trong đời sống. Trong nhiều năm trở lại, silicat đã là đối tƣợng của nhiều
nghiên cứu bao gồm cả thực nghiệm, mô phỏng và lý thuyết. Các kết quả cho
thấy, dƣới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, các vật liệu silicat thể hiện nhiều
tính chất thú vị nhƣ chuyển pha thông qua pha trung gian, đa thù hình, cấu
trúc không đồng nhất, động học không đồng nhất hay khuếch tán dị
thƣờng...vv. Tuy nhiên cơ chế ở mức nguyên tử của các hiện tƣợng kể trên
vẫn chƣa đƣợc giải thích một cách rõ ràng tƣờng minh.
Bên cạnh đó, natri silicat là loại vật liệu alkali silicat điển hình, có các
đặc trƣng cấu trúc lý thú khi nén áp suất, cũng nhƣ một số tính chất động học
đặc biệt nhƣ sự khuếch tán nhanh của nguyên tử Na, hay sự không đồng nhất
động học tồn tại trong natri silicat lỏng. Do đó, trong luận văn này tôi đã lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu vi cấu trúc và đặc trƣng động học của hệ Natri
Silicat”.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là hệ natri silicat lỏng bao gồm 3000
nguyên tử ở nhiệt độ 3500 K và áp suất từ 0 đến 60 GPa và hệ natri silicat
lỏng bao gồm 7995 nguyên tử ở nhiệt độ 1873 K và áp suất 0 GPa. Mục đích
nghiên cứu của luận văn tập trung vào các vấn đề sau:
+ Nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc của hệ natri silicat bao gồm 3000 nguyên
tử dƣới áp suất nén.

8

+ Nghiên cứu sự không đồng nhất về cấu trúc và động học trong hệ natri
silicat lỏng bao gồm 7995 nguyên tử.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phƣơng pháp mô phỏng động lực học phân tử, và các
phƣơng pháp phân tích vi cấu trúc để xây dựng, tính toán các đặc trƣng về cấu
trúc và một số tính chất vật lý của mô hình vật liệu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả của luận văn này cung cấp thêm nhiều thông tin chi tiết về ảnh
hƣởng của áp suất đến đặc trƣng cấu trúc vi mô hệ natri silicat và nguồn gốc
của cấu trúc không đồng nhất và động học không đồng nhất trong chất lỏng
natri silicat.
5. Những đóng góp mới của luận văn
- Ảnh hƣởng của áp suất đến các đặc trƣng về cấu trúc và động học của
hệ natri silicat đƣợc làm rõ.
- Chứng minh sự tồn tại động học không đồng nhất và cấu trúc không
đồng nhất trong hệ natri silicat lỏng. Nguyên nhân của sự không đồng nhất về
cấu trúc và động học trong chất lỏng natri silicat đƣợc chỉ ra một cách tƣờng
minh.
6. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc luận văn gồm 3 chƣơng, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài
liệu tham khảo:
Chƣơng 1 trình bày tổng quan về các nghiên cứu cấu trúc và động học
của hệ vật liệu silica, silicat và natri silicat đã đƣợc thực hiện bằng cả thực
nghiệm, lý thuyết và mô phỏng. Đây đƣợc coi là những kiến thức cở sở cho
các nghiên cứu sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong các chƣơng sau.
Chƣơng 2 trình bày phƣơng pháp nghiên cứu động lực học phân tử phƣơng pháp dùng để xây dựng mẫu mô phỏng. Thế tƣơng tác xây dựng mô

9

hình natri silicat, và cách thức xây dựng mô hình natri silicat lỏng ở các điều
kiện nhiệt độ và áp suất cũng đƣợc trình bày cụ thể.
Chƣơng 3 trình bày các kết quả chính của luận văn bao gồm ảnh hƣởng
của áp suất nén đến cấu trúc hệ natri silicat lỏng và chứng minh sự tồn tại của
cấu trúc và động học không đồng nhất. Giải thích tƣờng minh nguyên nhân
gây nên các hiện tƣợng kể trên. Các kết quả của luận văn đƣợc báo cáo tại hội
nghị VLLT lần thứ 43 (Structure and diffusion mechanism in sodium-silicate
melt: a new approach).

10


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬT LIỆU SILICA VÀ SILICAT
Silica là vật liệu tạo thành từ silic và ôxy, hai trong số những nguyên tố
phổ biến nhất trên hành tinh. Silica có nhiều dạng, mặc dù đến nay phổ biến
nhất là silica tinh thể. Hàm lƣợng lƣu trữ silica tinh thể rất dồi dào, chiếm hơn
12% vỏ Trái Đất, làm cho silica trở thành khoáng chất phổ biến thứ hai trên
hành tinh.
Silica tính thể tồn tại dƣới dạng thạch anh, cristobalite và tridymite.
Trong đó, thạch anh là phổ biến nhất và biến đổi thành cristobalite khi đun
nóng ở nhiệt độ cao (trên 1450°C).
Silica tinh thể là một khoảng chất rất hữu ích. Các sản phầm có chứa
silica đã đƣợc sử dụng hàng ngàn năm nay để xây dựng và tạo ra mọi thứ.
Silica tinh thể có mặt trong hàng ngàn nguyên liệu thô khác nhau, bao gồm
gần nhƣ tất cả các loại vật liệu chiết xuất từ vỏ Trái Đất. Silica có mặt trong
hầu hết các vật liệu đƣợc khai thác, bao gồm cát, đất sét, sỏi và quặng kim
loại. SiO2 là một chất cứng, trơ về mặt hóa học, và có nhiệt độ nóng chảy cao,

cái làm cho chúng trở thành một nguyên liệu có giá trị cho nhiều quá trình
công nghiệp và sản xuất.
Chính vì ứng dựng to lớn của vật liệu silica trong các lĩnh vực kĩ thuật
cũng nhƣ đời sống, nên để ngày càng tối ƣu hóa các quá trình công nghệ chế
tạo vật liệu mới thì các đặc trƣng của chúng vẫn không ngừng đƣợc nghiên
cứu bằng cả thực nghiệm lẫn mô phỏng. Trong đó các đặc trƣng về vi cấu trúc
và động học đang là vấn đề nóng bỏng mang tính thời sự, nhận đƣợc nhiều sự
chú ý của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Trong chƣơng này, chúng tôi sẽ
trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố về cấu trúc cũng
nhƣ ảnh hƣởng của áp suất lên cấu trúc và một số tính chất của SiO2 và một
số ôxít khác cũng có cấu trúc tƣơng tự SiO2.

11


1.1 Tổng quan vật liệu silica SiO2
1.1.1 Cấu trúc
Silic điôxít (SiO2) là vật liệu tạo thành từ silic và ôxy, hai trong số
những nguyên tố phổ biến nhất trên hành tinh. Do những đặc trƣng về cấu
trúc và động học nên SiO2 là một thành phần không thể thay thế trong nhiều
ngành công nghệ ứng dụng cao, ví dụ đúc chính xác, cáp quang và nguyên
liệu cho chip máy tính.
Các nghiên cứu về cấu trúc của SiO2 cho thấy đây là vật liệu đa thù
hình (tồn tại nhiều trạng thái khác nhau trong cùng một vật liệu, các trạng thái
này có cùng thành phần hóa học nhƣng khác nhau về cấu trúc địa phƣơng và
mật độ). Một số dạng thù hình tiêu biểu của SiO2 bao gồm: quartz (thạch
anh), tridymite, cristobalite, v.v… Nhờ đặc tính bền vững ở điều kiện môi
trƣờng nên quartz là thù hình phổ biến nhất của SiO2 trong tự nhiên. Quartz
đƣợc chia làm hai loại là α-quartz và β-quartz. Trong đó, α-quartz là pha ở
nhiệt độ thấp và β-quartz là pha ở nhiệt độ cao (573°C). Tƣơng tự cho αtridymite, β-tridymite, α-cristobalite và β-cristobalite. Tăng nhiệt độ lên

khoảng 870°C, β-quartz sẽ chuyển thành β-tridymite và biến đổi thành βcristobalite ở xung quanh 1470°C. Nếu β-tridymite và β-cristobalite đƣợc làm
lạnh nhanh xuống 114°C và 270°C tƣơng ứng thì chúng sẽ chuyển sang pha α
có cấu trúc tƣơng tự nhƣng ở nhiệt độ thấp hơn.
Thông qua thực nghiệm và mô phỏng, trật tự cấu trúc của SiO2 đã đƣợc
làm rõ qua số phối trí (số lƣợng nguyên tử lân cận so với một nguyên tử đƣợc
chọn làm mốc). Trật tự tầm gần của vật liệu SiO2 đƣợc thể hiện thông qua số
phối trí zSiO (số lƣợng nguyên tử O xung quanh nguyên tử Si đƣợc chọn làm
mốc). Cụ thể, ở điều kiện thƣờng, SiO2 có các đơn vị cấu trúc chủ yếu là tứ
diện SiO4 (zSiO = 4). Trong các khối tứ diện SiO4, độ dài liên kết Si-O có giá
trị trong khoảng 1.59  1.62 Å. Và đặc biệt quan trọng, góc liên kết O-Si-O

12


bằng 109.5°. Đây là giá trị rất gần với giá trị của một khối tứ diện lí tƣởng.
Đây là một kết quả tốt để giải thích tại sao silica có các đơn vị cấu trúc chủ
yếu là tứ diện SiO4 cũng nhƣ quartz là dạng thù hình phổ biến của SiO2 trong
tự nhiên. Do tính ổn định và bền vững của các tứ diện lí tƣởng SiO4 trong
điều kiện thƣờng.
Các đơn vị cấu trúc SiO4 chia sẻ nguyên tử O ở đỉnh tứ diện. Nhƣ vậy,
mỗi nguyên tử O sẽ liên kết với 2 nguyên tử Si tạo thành mạng ngẫu nhiên
liên tục. Mạng bị polyme hóa hoàn toàn thông qua các cầu nối Si-O-Si và các
nguyên tử O này đƣợc gọi là ôxy cầu (bridging oxygen - BO). Thông qua việc
xác định góc liên kết Si-O-Si, trật tự tầm trung (sự liên kết giữa các đơn vị
cấu trúc) của silic điôxít sẽ đƣợc hiểu rõ hơn. Phân bố góc liên kết Si-O-Si có
giá trị nằm trong khoảng 120° đến 180°, với đỉnh cực đại là 144° [1]. Các tác
giả của nghiên cứu [2] đã xác định góc liên kết giữa các đơn vị cấu trúc qua
phổ dịch chuyển hóa học trong mẫu SiO2 tính khiết. Kết quả thu đƣợc phân
bố góc cũng nằm trong khoảng 120° đến 180°, tuy nhiên giá trị đỉnh cực đại
nằm trong khoảng từ 150° đến 155°. Mặc dù đỉnh cực đại trong nghiên cứu

[2] lớn hơn trong nghiên cứu [1], nhƣng giá trị này lại giống với kết quả của
mô phỏng trong nghiên cứu [3] tại gần điểm nóng chảy 1710°C.
Dƣới ảnh hƣởng của áp suất, mạng Si-O có nhiều sự biến đổi đáng chú
ý. Cụ thể, trong điều kiện áp suất nhỏ hơn 10 GPa, cấu trúc mạng dƣờng nhƣ
vẫn chƣa thay đổi. Sự thay đổi chỉ bắt đầu khi áp suất của hệ lớn hơn 10 GPa,
khi áp suất tăng đến 25 GPa, trật tự tầm gần của SiO2 đã có sự thay đổi. Số
phối trí của các nguyên tử Si tăng từ 4 đến 6 và nếu tiếp tục tăng áp suất lên
khoảng 40  45 GPa thì các nguyên tử Si chỉ có số phối trí là 6 và trạng thái
này đƣợc duy trì tới áp suất 100 GPa. Cấu trúc mạng bắt đầu có sự thay đổi
đáng kể bắt đầu ở áp suất 12 GPa. Số phối trí của Si có giá trị từ 4 đến 6 với tỉ
phần của 6 nhỏ hơn 10% trong khoảng 12  22 GPa. Tỉ phần số phối trí bằng

13


4 sẽ giảm dần theo áp suất. Tại giá trị 22 GPa, SiO4 chỉ chiếm 20% và giảm
xuống gần 0% tại 64 GPa. Ngƣợc lại, tỉ phần của số phối trí 5 và 6 sẽ tăng dần
theo áp suất. Bên cạnh sự thay đổi về số phối trí là sự thay đổi về khoảng cách
liên kết Si-O. Bằng thực nghiệm [4], khoảng cách liên kết trung bình Si-O
đƣợc xác định giảm từ 1.64 Å còn 1.61 Å khi áp suất tăng đến 12 GPa. Nếu
tiếp tục tăng áp suất, khoảng cách liên kết Si-O sẽ tăng và đạt đỉnh với giá trị
khoảng 1.72 Å ở áp suất 30 GPa.
1.1.2 Động học
Trong những năm gần đây, các đặc trƣng động học của silica là trọng
tâm của nhiều nghiên cứu khoa học. Sự hiểu biết về chúng đã tăng lên đáng
kể. Những hiện tƣợng động học mới đã đƣợc tìm thấy, chẳng hạn nhƣ động
học không đồng nhất (dynamical heterogeneities), thuyên giảm động học
(aging dynamics) ở nhiệt độ rất thấp, khuếch tán dị thƣờng. Để giải giải các
hiện tƣợng này, nhiều lí thuyết đã đƣợc đƣa ra. Bằng việc kết hợp lý thuyết
Mode-Coupling và mô phỏng máy tính, nhóm tác giả [5] đã giải thích sự tăng

lên của hệ số khuếch tán khi áp suất tăng. Hệ số khuếch tán của các nguyên tử
tăng và đạt đỉnh ở khoảng 20 GPa, sau đó chúng có xu hƣớng giảm dần. [6]
Lý thuyết của Adam-Gibbs cũng rất tốt trong việc giải thích hiện tƣợng
thuyên giảm động học ở nhiệt độ chuyển pha Tg thông qua biểu thức phụ
thuộc hệ số khuếch tán vào entropy và nhiệt độ của hệ.
Các đặc trƣng động học của các ion trong silica lỏng đƣợc nghiên cứu
bằng thực nghiệm và mô phỏng. Một trong những thành công lớn nhất là dự
đoán của Waff. Tác giả dự đoán rằng hệ số khuếch tán của các nguyên tử tạo
mạng (Si và O) tăng theo áp suất [7]. Bằng phƣơng pháp MD, sử dụng thế
tƣơng tác BMH, nhóm tác giả [11] đã tính đƣợc giá trị hệ số khuếch tán của
Si4+ và O2- ở áp suất môi trƣờng là 5.5±0.5.10-5 cm2/s-1. Hơn nữa, hệ số
khuếch tán của Si và O tăng theo áp suất và đạt đỉnh ở khoảng 12-15 GPa.

14


Bên cạnh đó, giá trị năng lƣợng kích hoạt khuếch tán của Si và O đo đƣợc
trong mô phỏng còn phù hợp với kết quả thực nghiệm [8, 9] (có giá trị là 6 và
4.7 eV tƣơng ứng cho Si và O). Không chỉ bị ảnh hƣởng của áp suất, hệ số
khuếch tán còn chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ. Theo kết quả của nghiên cứu
[10], ở mật độ 3000 kg/m3, động học xảy ra nhanh hơn do sự phá vỡ trật tự
cấu trúc. Tuy nhiên, ở mật độ 4000 kg/m3, động học lại chậm đi do mật độ
cao. Nghiên cứu [12] cho thấy, khi sử dụng hàm thế BKS, ở nhiệt độ thấp, hệ
số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật Arrhenius (Arrhenius
law) với năng lƣợng kích hoạt rất gần với giá trị thực nghiệm trong công trình
[8, 9], và ở nhiệt độ cao, hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ theo định
luật power (power law) D ~  T  TC  . Trong đó, TC là nhiệt độ tới hạn có giá


trị 3330 K và hằng số γ có giá trị xấp xỉ 2.10.

Bằng phƣơng pháp MD, nhóm tác giả [13] cũng nghiên cứu đƣợc kết
quả tƣơng tự. Hệ số khuếch tán D phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật
Arrhenius ở trên nhiệt độ nóng chảy và theo power law ở nhiệt độ cao hơn
cho mẫu khảo sát có mật độ trong khoảng 2.20 đến 5.35 g/cm3. Số mũ γ tăng
theo áp suất (hoặc mật độ). Điều này có nghĩa, khi tăng nhiệt độ mô hình, có
sự chuyển tiếp từ động học (dynamics) Arrhenian sang non-Arrhenian, tƣơng
ứng với sự chuyển từ trạng thái strong liquid behaviour sang fragile liquid
behaviour. Bên cạnh đó, sự thay đổi này còn liên quan đến sự thay đổi cấu
trúc khi tăng nhiệt độ mô hình. Sự khuếch tán trong điều kiện áp suất và nhiệt
độ cao trong silica lỏng với thế tƣơng tác BKS đƣợc trình bày [14], cho thấy
sự chuyển đổi trạng thái ngƣợc lại từ fragile sang strong liquid behaviour khi
hạ nhiệt độ mô hình từ nhiệt độ cao về nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (from
high temperature towards the glass phase transition).
Tuy nhiên, khoảng mật độ khảo sát trong [14] chỉ từ 2.31 tới 3.90
g/cm3, nên sự ảnh hƣởng của power law tới động học của hệ chƣa đƣợc kiểm

15


chứng rõ ràng. Các hiện tƣợng không đồng nhất động học cũng đƣợc quan sát
thấy trong silica lỏng khi đun nóng ở áp suất cao, các tính toán cũng chỉ ra
rằng hiện tƣợng này cũng phụ thuộc vào mật độ mô hình. Hơn nữa, nhiệt độ
nóng chảy của hệ phụ thuộc và tăng theo mật độ.
1.2 Tổng quan vật liệu silicat
1.2.1 Hệ silicat ba nguyên
Hỗn hợp tạo thủy tinh SiO2 với một ôxít kim loại là một loại vật liệu
quan trọng đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghệ. Do đó, sự hiểu
biết về cấu trúc và các tính chất động học của chúng là rất cần thiết. Cụ thể,
với hệ nhôm silicat đã có những nghiên cứu nhất định tìm hiểu về chúng. Các
nghiên cứu về cấu trúc của hệ nhôm silicat cho thấy sự thay đổi cấu trúc của

hệ ban đầu phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: nhiệt độ, áp suất, nồng độ
nhôm ôxít đƣợc pha vào, v.v… Cụ thể, trong trật tự gần của hệ nhôm silicat
có sự tồn tại của các đơn vị cấu trúc AlO4, AlO5 và AlO6. Ở áp suất thấp, SiO4
và AlO4 chiếm 95% và 75% tƣơng ứng. Và số lƣợng các nguyên tử O liên kết
với nguyên tử trung tâm Al tăng lên khi hàm lƣợng của Al2O3 thêm vào tăng
lên [15]. Sự tăng số phối trí còn phụ thuộc vào áp suất. Tại 60 GPa, SiO6
chiếm 70% còn AlO6 chiếm 55%. Với các đơn vị cấu trúc TO5, đạt đỉnh tại 10
GPa (54% cho Si và 57 % cho Al). Nghiên cứu [16], tác giả làm việc với hệ
AS2 lỏng ở nhiệt độ 2000 K đến 6000 K với hai tỉ phần khác nhau là 13% và
47% của Al2O3. Kết quả cho thấy, các đơn vị cấu trúc chủ yếu vẫn là các khối
tứ diện. Với phƣơng pháp đo phổ tia X hệ nhôm silica [17], kết quả cho thấy
với 60% Al2O3 thì độ dài liên kết Si-O và Al-O tƣơng ứng là 1.61 Å và 1.79
Å.
Nghiên cứu về phân bố góc O-T-O (trong đó T là Si hoặc Al) đƣợc làm
rõ trong công trình [18]. Khảo sát hệ nhôm silicat vô định hình ở nhiệt độ 300
K, phân bố góc O-Si-O đạt đỉnh ở 108.2°. Giá trị này cho thấy, tứ diện SiO4

16


có dạng rất gần với một tứ diện lí tƣởng. Nếu tăng nhiệt độ của hệ lên 2300 K
và 4000 K thì độ cao của đỉnh giảm mạnh và bề rộng của đỉnh tăng. Với phân
bố góc O-Al-O thì có 2 đỉnh ở 109.8° và 85.8°. Sự xuất hiện đỉnh thứ 2 là do
2 đơn vị cấu trúc AlOx liền kề có chung 2 nguyên tử O (liên kết cạnh), nên
mỗi nguyên tử Al sẽ bị bao quanh bởi 2 vòng nguyên tử O.
Trật tự tầm trung của hệ nhôm silicat đƣợc xác định thông qua phân bố
góc T-O-T. Tại mật độ 2.6 g/cm3 thì phân bố góc T-O-T đạt đỉnh ở 103° và
104° tƣơng ứng cho Si và Al [19]. Khi mật độ tăng lên, đỉnh của Al-O-Al
giảm nhƣng vị trí đỉnh không thay đổi. Trong khi đó, vị trí đỉnh của Si-O-Si
thay đổi tƣơng đối mạnh.

Các đặc điểm động học của hệ nhôm silicat đƣợc thể hiện qua cơ chế
khuếch tán và độ nhớt. Khi ở áp suất thấp, mạng có cấu trúc tứ diện rất bền
vững. Khi áp suất tăng, các đơn vị cấu trúc bắt đầu bị phá vỡ, tạo ra các
nguyên tử linh động dẫn đến sự khuếch tán. Các cấu trúc phối tri 4 sẽ chuyển
dần sang trung gian 5 và cuối cùng là 6 hình thành nên cấu trúc bát diện. Sự
sinh ra và mất đi số phối trí 5 tƣơng ứng với quá trình khuếch tán dị thƣờng,
là nguyên nhân cho sự tăng giảm hệ số khuếch tán. Sở dĩ có sự trung gian qua
số phối trí 5 là do cấu trúc mạng bát diện (số phối trí 6) bền vững hơn so với
cấu trúc mạng có số phối trí 5. Sự khuếch tán và độ nhớt của hệ nhôm silicat
còn đƣợc làm rõ qua mức độ polyme hóa (DOP). Mức độ polyme hóa của hệ
phụ thuộc vào tỉ lệ giữa A và B. Trong đó, A và B lần lƣợt là số lƣợng của
ôxy cầu (BO) và các đơn vị cấu trúc tƣơng ứng. Kết quả khảo sát mức độ
polyme hóa ở nghiên cứu [20, 21] cho thấy, khi tỉ lệ Al2O3/SiO2 tăng lên thì
giá trị DOP cũng tăng theo làm cho quá trình khuếch tán chậm và tăng độ
nhớt của hệ. Cơ chế khuếch tán còn đƣợc giải thích là do sự đứt gãy và hình
thành liên tục theo chuỗi các liên kết các NBO và O tricluster. Điều này cho
thấy mối liên quan chặt chẽ giữa cấu trúc và các quá trình động học.

17


Bên cạnh các quá trình khuếch tán thông thƣờng trong hệ nhôm silicat
là các quá trình khuếch tán dị thƣờng. Quá trình khuếch tán dị thƣờng đƣợc
quan sát khi làm thay đổi áp suất của mô hình. Cụ thể, hệ số khuếch tán của
các ion tăng theo áp suất và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm dần trong khi áp
suất vẫn tăng. Bên cạnh đó, quá trình khuếch tán dị thƣờng còn đƣợc tìm thấy
trong sự liên quan mật thiết với sự thay đổi các đơn vị cấu trúc SiOx. Nhóm
tác giả Hoang và các cộng sự đƣa ra lời giải thích cho quá trình khuếch tán dị
thƣờng thông qua sự hình thành và mất đi các hạt siêu phân tử và hạt cứng.
Kết quả nghiên cứu [19] cho thấy, hệ số khuếch tán của các loại ion trong

nhôm silicat ở áp suất thấp tăng dần từ Si đến O và Al. Thứ tự này thay đổi
khi hệ ở áp suất cao. Cụ thể, ở áp suất cao, hệ số khuếch tán giảm dần từ O
đến Al và Si.
Các quá trình động học không đồng nhất cũng đã đƣợc quan tâm tìm
hiểu. Kết quả nhiều nghiên cứu cho thấy, các nguyên tử O nhanh nhất và
chậm nhất có xu hƣớng kết cụm. Và 10% nguyên tử O nhanh nhất kết cụm
mạnh hơn 10% nguyên tử O chậm nhất, tạo nên quá trình động học không
đồng nhất. Tuy nhiên, hiện tƣợng này chỉ quan sát đƣợc ở áp suất thấp. Ở áp
suất cao, sự kết cụm mất đi nên không còn quan sát đƣợc quá trình động học
không đồng nhất. Kết quả của nghiên cứu còn cho biết, trong hệ Al2O3.2SiO2
lỏng với việc xét các nguyên tử lân cận ôxy, độ dịch chuyển bình phƣơng
trung bình rt2 và số nguyên tử lân cận trung bình N LC của các nguyên tử
O thì độ dốc của độ dịch chuyển bình phƣơng trung bình các nguyên tử nhanh
và chậm nhất tƣơng ứng là 0.14 Å2ps-1 và 0.07 Å2ps-1. Nhƣ vậy, tồn tại các
vùng linh động và kém linh động mà tại đó nguyên tử O chuyển động nhanh
và chậm tƣơng ứng. Các vùng linh động có mật độ cao còn các vùng kém linh
động có mật độ thấp. Nghiên cứu còn cho biết, ở áp suất cao, sự thay đổi số
nguyên tử lân cận nguyên tử O nhanh nhất, chậm nhất và ngẫu nhiên là tƣơng

18


đối giống nhau. Điều này dẫn đến sự phân bố các nguyên tử O trong không
gian trở nên đồng đều hơn. Do đó, sự không đồng nhất động học không còn
quan sát đƣợc. Kết quả này là phù hợp với kết quả sự kết cụm của các nguyên
tử O bên trên. Bằng cách tƣơng tự, nhóm tác giả quan sát đƣợc hiện tƣợng
không đồng nhất động học của nguyên tử Si và Al ở áp suất thấp và mất đi ở
áp suất cao.
Thông qua việc khảo sát hàm phân bố xuyên tâm, số phối trí và các
phân bố góc, trật tự tầm gần của chì silicat sẽ đƣợc hiểu rõ. Từ kết quả nghiên

cứu [22], hàm phân bố xuyên tâm của các cặp Si-O và Pb-O đạt đỉnh tại vị trí
1.64 Å và 2.34 Å tƣơng ứng tại áp suất 0 GPa. Khi áp suất tăng, độ cao của
đỉnh Si-O giảm mạnh trong khi vị trí đỉnh tăng nhẹ. Tuy nhiên, với cặp Pb-O
dƣờng nhƣ không có sự thay đổi nào đáng kể. Vị trí và độ cao của đỉnh không
thay đổi nhiều trong suốt quá trình nén. Bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X,
nhiễu xạ neutron và cộng hƣởng từ, nhóm tác giả Takahashi và các đồng
nghiệp đã xác định đƣợc vị trí đỉnh đầu tiên của hàm phân bố xuyên tâm cặp
Pb-O là 2.3 Å [22].
Trong cấu trúc của hệ chì silicat, tồn tại của các đơn vị phối trí TOx
(trong đó T là Si hoặc Pb và x  3  9 ). Ở áp suất thấp (0 GPa), SiO4 chiếm tỉ
phần lớn nhất (96%) trong tổng số các đơn vị phối trí SiOx và tồn tại các đơn
vị phối trí PbO3, PbO4 và PbO5 là chủ yếu. Kết quả này sẽ thay đổi đáng kể
khi áp suất tăng. Đơn vị phối trí SiO4 có xu hƣớng giảm dần trong khi SiO5 và
SiO6 tăng dần. Trong đó, SiO5 đạt đỉnh tại 15 GPa. Khi áp suất tăng đến 35
GPa, tỉ phần của SiO4, SiO5 và SiO6 có giá trị lần lƣợt là 4%, 45% và 50%.
Trong khi đó, tỉ phần của các đơn vị phối trí PbOx đều có xu hƣớng tăng theo
áp suất ngoại trừ PbO3 và PbO4. Đặc biệt, hai đơn vị phối trí là PbO5 và PbO6
tăng và đạt giá trị cực đại tại các áp suất 5 GPa và 15 GPa. Sự thay đổi số
phối trí không chỉ phụ thuộc vào áp suất mà còn phụ thuộc vào nồng độ của

19


PbO có trong hệ. Nhóm tác giả nghiên cứu [22] cho biết, khi tăng nồng độ
PbO thì số phối trí của Pb giảm từ 6 về 3. Với hệ có nồng độ PbO trên 50%
thì tồn tại các đơn vị phối trí PbO3 là chủ yếu. Các nguyên tử Pb đóng vai trò
nhƣ chất tạo mạng. Ngƣợc lại, với hệ có nồng độ PbO nhỏ hơn 50% thì các
đơn vị phối trí chủ yếu là PbO6. Lúc này, Pb đóng vai trò nhƣ chất làm thay
đổi cấu trúc mạng.
Từ kết quả mô phỏng, tác giả [23] nhận thấy phân bố góc và O-Si-O và

phân bố khoảng cách Si-O không có sự thay đổi đáng kể khi tăng áp suất từ 0
GPa lên 35 GPa. Nhƣ vậy, cấu trúc hình học của các đơn vị phối trí SiOx
không chịu ảnh hƣởng của áp suất. Kết quả này phù hợp với kết quả của các
công trình [24], với giá trị cực đại của phân bố góc O-Si-O là 109.5°. Tuy
nhiên, cấu trúc hình học sẽ bị phá vỡ nếu thay đổi hàm lƣợng PbO trong hệ.
Cụ thể, bằng phƣơng pháp cộng hƣởng từ hạt nhân, các tác giả công trình [25]
xác định phân bố góc O-Pb-O có giá trị nằm trong khoảng từ 50° đến 180° và
đạt đỉnh tại các giá trị 60°, 80° và 160°. Khi hàm lƣợng PbO nhỏ hơn 60% thì
mạng chính vẫn là của Si. Khi hàm phƣơng PbO tăng lên, mạng Si sẽ bị phá
vỡ và hình thành các chuỗi mạng Pb.
Trong công trình [23], tác giả nghiên cứu trật tự tầm trung của hệ chì
silicat thông qua việc xem xét sự thay đổi tỉ lệ các liên kết OTy (T là Si hoặc
Pb, y  2  6 ). Tại 0 GPa, tồn tại các đơn vị OT2, OT3 và OT4 là chủ yếu, tỉ
phần của các thành phần còn lại không đáng kể. Trong đó, tỉ phần của OT3 là
lớn nhất, có giá trị gần 48%, sau đó là OT2 chiếm 42% và OT4 khoảng 10%.
Khi áp suất tăng đến 35 GPa, tỉ phần của các đơn vị OTy có sự thay đổi đáng
kể. Cụ thể, tỉ phần của OT4 tăng mạnh đến giá trị xấp xỉ 50%, và chiếm tỉ
phần lớn nhất. Trong khi đó, tỉ phần của OT3 và OT2 giảm mạnh về khoảng
15% và 0% tƣơng ứng. Trong khi tỉ phần của OT5 tăng mạnh đến khoảng
30% thì tỉ phần của OT6 thay đổi không đáng kể. Từ kết quả tỉ phần của các

20


đơn vị OTy, tác giả tiếp tục cụ thể làm rõ tỉ phần của từng loại OTy và thu
đƣợc kết quả nhƣ sau:
Tỉ phần khác nhau của các loại O trong hệ PbO.SiO2 lỏng với khoảng
áp suất là 0-35 GPa. OT (T là Si hoặc Pb) là nguyên tử O liên kết với cả Pb và
Si; OSi là nguyên tử O chỉ liên kết với hai nguyên tử Si; OPb là nguyên tử O
chỉ liên kết với hai nguyên tử Pb.

Bảng 1.1. Tỉ phần của các loại ôxy trong hệ PbO.SiO2 khi áp suất thay đổi
P(GPa)

0

5

10

15

20

25

30

35

OT(%)

72.3

82.6

89.6

92.9

85.0

96.2

95.5

96.2

OSi(%)

26.7

16.7

9.8

6.4

4.4

3.1

3.5

2.6

OPb(%)

0.9

0.8

0.6

0.7

0.6

0.7

0.9

1.1

Từ bảng kết quả, dễ dàng nhận thấy tỉ phần của OT tăng mạnh theo áp
suất, trong khi tỉ phần của OSi giảm mạnh thì tỉ phần OPb thay đổi không đáng
kể. Sự tăng lên của OT và giảm đi của OSi đƣợc giải thích do sự đứt gãy các
liên kết Si-O-Si khi áp suất tăng, tạo điều kiện cho sự hình thành các liên kết
Si-O-Pb.
Sự thay đổi nồng độ các ôxít trong chì silicat cũng gây tác động mạnh
mẽ tới các đặc điểm động học của hệ. Tác giả H.Schmalzried và cộng sự nhận
thấy khi tăng tỉ lệ của SiO2 từ 0.1 lên 0.6 thì tỉ lệ hệ số khuếch tán DSi/DPb
giảm từ 0.6 về còn 0.2 [26]. Nhƣ vậy, khi nồng độ SiO2 trong hệ nhỏ thì sự
khuếch tán chủ yếu là do Si. Ngƣợc lại, khi nồng độ SiO2 trong hệ lớn thì sự
khuếch tán chủ yếu là do Pb. Nói cách khác, hệ số khuếch tán của Si đã giảm
đi khi tăng nồng độ SiO2. Do đó, độ nhớt của mô hình phụ thuộc vào nồng độ
của SiO2. Với mô hình có nồng độ SiO2 thấp (2PbO.SiO2), nhiệt độ dƣới 773
K, hệ số khuếch tán của của các nguyên tử giảm dần theo thứ tự O, Si và Pb.
Tuy nhiên, với hệ ở nhiệt độ cao hơn thì thứ tự hệ số khuếch tán có sự thay
đổi. Cụ thể, hệ số khuếch tán của các nguyên tử O và Si nhỏ hơn so với Pb.

21


Kết quả này cho thấy hệ số khuếch tán của Pb lúc nào cũng lớn hơn hoặc nhỏ
hơn so với Si và O. Cho thấy Si và O khuếch tán cùng nhau, hình thành các tứ
diện SiO4. Nghiên cứu thực hiện với hệ PbO.SiO2, trong đó hàm lƣợng PbO
nhỏ hơn 35%, nhiệt độ 313 K, thì hệ số khuếch tán của Pb2+ là 10-17 m2/s. Nếu
tăng hàm lƣợng của PbO lên 50% thì hệ số khuếch tán của Pb cũng tăng theo.
Bằng phƣơng pháp đo góc tán xạ tia X, Bogdanov và các đồng nghiệp nhận
thấy khi nồng độ PbO trên 40% thì tồn tại một vùng có kích thƣớc 5-7 Å có
tính chất không đồng nhất động học [27].
1.2.2 Hệ natri silicat
Các vật liệu natri silicat có nhiều ứng dụng trong khoa học, đời sống và
kỹ thuật. Nhiều nghiên cứu chỉ ra khi thêm các ôxít kiềm vào silica tính khiết
(SiO2) đã phá vỡ mạng silica cơ bản bằng cách phá vỡ một phần liên kết Si-O,
tạo ra các ôxy không cầu (NBO). Hàm lƣợng NBO trong mô hình tăng theo
hàm lƣợng kiềm thêm vào [28]. Các cation kiềm đƣợc gọi là chất điều chỉnh
mạng (network modifiers) trong khi đó, các ion silicon đƣợc gọi là chất tạo
mạng (network formers). Do đó, tứ diện SiO4 chia sẻ O với các ion kiềm và
các ôxít kiềm phá vỡ mạng Si-O là một trong những đặc trƣng cấu trúc của hệ
silicat. Hàm lƣợng Na2O thêm vào silica tinh khiết ảnh hƣởng đến cấu trúc
của hệ [28]. Ở hàm lƣợng thấp, Na2O làm giảm mật độ của các ion Si2+ dẫn
đến làm giảm các tƣơng tác hấp dẫn. Do đó hệ số đàn hồi C11 và C44 bị suy
giảm. Hơn nữa, Na2O ở nồng độ thấp còn tạo ra các vùng thể tích tự do. Đây
cũng là một trong những nguyên nhân làm suy giảm hệ số đàn hồi và làm
nhiễu loạn cấu trúc mạng. Khi hàm lƣợng Na2O trên 20%, số lƣợng liên kết
Na-O và Si-O tăng lên. Không những thế, sự phân bố đồng nhất của Na2O
trong mạng silicat còn làm tăng hệ số đàn hồi C11.
Mức độ polyme hóa (the degree of polymerization) của silicat phụ
thuộc vào tỉ lệ giữa A và B. Trong đó, A và B là số lƣợng của ôxy cầu (BO)

22


và các tứ diện SiO4 tƣơng ứng, (chú ý: ở áp suất phòng và nhiệt độ nhất định,
số lƣợng của SiO4 là hằng số, xấp xỉ số nguyên tử silicon). (Số lƣợng các loại
Qn, Q là tứ diện SiO4, n là số BO trong một SiO4). Ảnh hƣởng của áp suất tới
độ nhớt đƣợc nhận thấy là khác nhau rõ rệt giữa chất lỏng polyme (chất lỏng
hình thành mạng nhƣ chất lỏng silicat) và chất lỏng đơn giản khác (simple
liquid) [29]. Mức độ polyme hóa cũng liên quan mật thiết tới sự khuếch tán
của các nguyên tử trong kiềm silicat. Các kĩ thuật nhiễu xạ neutron, nhiễu xạ
tia X (XRD), quay mẫu theo góc kỳ diệu (MAS) trong cộng hƣởng từ hạt
nhân (NMR) [30-32] và các phƣơng pháp mô phỏng khác [33] đã quan sát
đƣợc những hiện tƣợng này. Nghiên cứu [30] cho thấy sự khác biệt đáng kể
trong sự thay đổi cấu trúc dƣới áp suất nén giữa NS4 và NS3, điều đó chứng
minh sự ảnh hƣởng của Na và Si tới cấu trúc của hệ. Bên cạnh đó, nhóm tác
giả còn thu đƣợc kết quả về sự phụ thuộc của khoảng cách Na-O vào áp suất
có sự khác biệt so với sự phụ thuộc của tỉ lệ Na/Al và mức độ polyme hóa
trong silicat. Khoảng cách Na-O tăng nhẹ theo áp suất trong hệ NS4.
Bằng phƣơng pháp mô phỏng kết hợp sử dụng simplex, trong silicat
nóng chảy (ionic liquid-like molten silicate), mạng Si-O chia thành các cụm,
trong khi đó, tất cả simplex NaO liên kết với nhau. Trái lại, trong mạng ở trạng
thái lỏng (network liquid state), tất cả tứ diện SiO4 liên kết với nhau thông
qua nguyên tử O ở đỉnh, trong khi đó cụm NaO chia thành nhiều cụm. Phân
tích hàm tập hợp (collective function) cho thấy sự ảnh hƣởng của áp suất đến
cấu trúc động (dynamic structure). Khi tăng áp suất, giá trị của hàm tập hợp
giảm đi, cho thấy có sự thay đổi trong chuyển động khuếch tán của mạng SiO từ nhóm khuếch tán lớn (large-group diffusion) sang nhóm khuếch tán nhỏ
hơn (small-group diffusion). Hơn nữa, đặc điểm động học của kiềm silicat
R2O-SiO2 cũng thu hút sự quan tâm lớn bởi vì tính linh động của các nguyên
tử kiềm cao hơn nhiều so với các nguyên tử tạo mạng (Si, O) [35].

23